ساعد الكيميائي ديف هيلدبرانت، وهو زميل تم اختياره مؤخراً في الجمعية الكيميائية الأمريكية ويحمل موعداً مشتركاً مع جامعة ولاية واشنطن، في تصميم العديد من المذيبات التي يمكنها التقاط جزيئات ثاني أكسيد الكربون ببراعة قبل وصولها إلى الغلاف الجوي للأرض.
يرسم العلماء في PNNL مساراً مربحاً لالتقاط الكربون من خلال إعادة تدوير الكربون، وفتح خطوة حاسمة في عملية إزالة الكربون والاقتراب من تحقيق صافي انبعاثات صفرية.
تزداد الحاجة إلى التكنولوجيا التي يمكنها التقاط ثاني أكسيد الكربون والقضاء عليه وإعادة تدويره وتصبح أكثر إلحاحاً مع كل جزيء إضافي من ثاني أكسيد الكربون يدخل الغلاف الجوي للأرض. ولتلبية هذه الحاجة، حقق العلماء في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني، وهو جزء من وزارة الطاقة، إنجازاً كبيراً في جهودهم لجعل التقاط الكربون أكثر سهولة وفعالية من حيث التكلفة. لقد طوروا نظاماً جديداً يلتقط بشكل فعال ثاني أكسيد الكربون، ويحوله إلى ميثانول، أحد أكثر المواد الكيميائية شيوعاً في العالم.
يعد منع دخول ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي جانباً مهماً للتخفيف من ظاهرة الاحتباس الحراري. وقبل حدوث ذلك، من المهم توفير حوافز للجهات الرئيسية للانبعاثات لاعتماد تكنولوجيا احتجاز الكربون. كانت التكلفة الباهظة لتكنولوجيا الصيد التجاري عقبة مستمرة أمام اعتمادها على نطاق واسع.
يعتقد علماء PNNL أن الميثانول يمكن أن يوفر هذا الحافز. إذ يتميز بأن له العديد من الاستخدامات كوقود ومذيب ومكون مهم في البلاستيك والطلاء ومواد البناء وأجزاء السيارات. يوفر تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد مفيدة مثل الميثانول مساراً للكيانات الصناعية لالتقاط الكربون وإعادة توظيفه.
يشغل النظام الجديد لاحتجاز الكربون وتحويله مساحة تعادل مساحة خزانة الملابس، وهو نظام بسيط وفعال في إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغاز الغني بثاني أكسيد الكربون. يتحرك "الدخان" عبر حاوية أسطوانية حيث يتلامس مع مذيب يلتقط الكربون. يرتبط هذا المذيب كيميائياً بثاني أكسيد الكربون ويتحول إلى ميثانول.
يقارن الكيميائي ديفيد هيلدبرانت الذي يقود فريق بحث التكنولوجيا الجديدة هذا النظام بإعادة التدوير. مثلما يمكن للمرء أن يختار بين المواد التي تستخدم مرة واحدة والمواد القابلة لإعادة التدوير، كذلك يمكن للفرد إعادة تدوير الكربون.
قال هيلدبرانت: هذا في الأساس ما نحاول القيام به هنا. "بدلاً من استخراج النفط من الأرض لصنع هذه المواد الكيميائية، نحاول القيام بذلك من ثاني أكسيد الكربون الذي يتم التقاطه من الغلاف الجوي أو من مصانع الفحم، بحيث يمكن إعادة تشكيله إلى أشياء مفيدة. إنك تحافظ على الكربون حياً، إذا جاز التعبير، فلا يقتصر الأمر على "سحبه من الأرض واستخدامه مرة واحدة والتخلص منه". نحن نحاول إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون، مثلما نحاول إعادة تدوير أشياء أخرى مثل الزجاج والألمنيوم والبلاستيك.
كما هو موضح في مجلة Advanced Energy Materials، فقد تم تصميم النظام الجديد ليلائم محطات الطاقة التي تعمل بالفحم أو الغاز أو الكتلة الحيوية، بالإضافة إلى أفران الأسمنت ومصانع الصلب. باستخدام مذيب الالتقاط الذي طوره معهد PNNL، ينتزع النظام جزيئات ثاني أكسيد الكربون قبل انبعاثها، ثم يحولها إلى مواد مفيدة يمكن بيعها.
يجب أن يسقط خط طويل من قطع الدومينو قبل إزالة الكربون تماماً أو منعه تماماً من دخول الغلاف الجوي للأرض. يمثل هذا الجهد - الحصول على تقنية الالتقاط والتحويل في العالم - بعض المربعات القليلة الأولى الحاسمة.
قال هيلدبرانت إن نشر هذه التكنولوجيا سيقلل من الانبعاثات. ولكن يمكن أن يساعد أيضاً في تحفيز تطوير تقنيات أخرى لاحتجاز الكربون وإنشاء سوق للمواد المحتوية على ثاني أكسيد الكربون. مع وجود مثل هذه السوق، يمكن إعادة تكوين الكربون الذي تم ضبطه بواسطة تقنيات التقاط الهواء المباشر المتوقعة بشكل أفضل إلى مواد أطول عمراً.
قام المهندس الكيميائي يوان يانغ بتحليل تكاليف تشغيل نظام جديد لاحتجاز الكربون وتحويله، ووجد أنه يمكن أن يؤدي المهمة بحوالي 39 دولاراً لكل طن متري من ثاني أكسيد الكربون.
احتجاز الكربون بتكلفة أقل
في أبريل 2022، أصدر الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ تقرير الفريق العامل الثالث الذي يركز على التخفيف من تغير المناخ. من بين تدابير الحد من الانبعاثات الموضحة، تم تسمية احتجاز الكربون وتخزينه كعنصر ضروري في تحقيق صافي انبعاثات صفرية، خاصة في القطاعات التي يصعب إزالة الكربون منها، مثل الصلب وإنتاج المواد الكيميائية.
صرحت اللجنة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ في بيان صحفي صدر جنباً إلى جنب مع أحد أقسام التقرير لعام 2022 أن "الحد من الانبعاثات في الصناعة سيشمل استخدام المواد بكفاءة أكبر، وإعادة استخدام المنتجات وإعادة تدويرها، وتقليل النفايات". جاء في التقرير أنه "من أجل الوصول إلى صافي انبعاثات صفرية من الكربون المطلوب في المجتمع (على سبيل المثال، البلاستيك، والخشب، ووقود الطائرات، والمذيبات، وما إلى ذلك) من المهم إغلاق حلقات استخدام الكربون وثاني أكسيد الكربون من خلال زيادة الاستدارة مع إعادة التدوير الميكانيكي والكيميائي".
يركز بحث PNNL على فعل ذلك بالضبط - بما يتماشى مع اللقطة السلبية الكربونية لوزارة الطاقة. باستخدام الهيدروجين من مصادر متجددة في التحويل، يمكن للفريق إنتاج ميثانول ببصمة كربونية أقل من الطرق التقليدية التي تستخدم الغاز الطبيعي كمادة وسيطة. يمكن أن يكون الميثانول المنتج عن طريق تحويل ثاني أكسيد الكربون مؤهلاً للحصول على سياسات وحوافز السوق التي تهدف إلى دفع اعتماد تقنيات الحد من الكربون.
يعتبر الميثانول من أكثر المواد الكيميائية التي يتم إنتاجها من حيث الحجم. تعرف باسم "مادة المنصة"، وتتنوع استخداماتها. بالإضافة إلى الميثانول، يمكن للفريق تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى فورمات (مادة كيميائية قد تكون سلعة أخرى) والميثان ومواد أخرى.
لا يزال هناك قدر كبير من العمل لتحسين وتوسيع نطاق هذه العملية، وقد يستغرق الأمر عدة سنوات قبل أن تصبح جاهزة للنشر التجاري. ولكن قال كاسي ديفيدسون، مدير قطاع إدارة الكربون وسوق الطاقة الأحفورية بشركة PNNL، إن استبدال السلع الكيماوية التقليدية ليس سوى البداية. "يفتح نهج الفريق المتكامل عالماً جديداً من كيمياء تحويل ثاني أكسيد الكربون. هناك شعور بأننا نقف على عتبة مجال جديد تماماً من تكنولوجيا الكربون القابلة للتطوير والفعالة من حيث التكلفة. إنه وقت مثير للغاية".
انخفاض التكاليف
تمتص الأنظمة التجارية الكربون من غاز المداخن بنحو 46 دولاراً لكل طن متري من ثاني أكسيد الكربون، وفقاً لتحليل وزارة الطاقة. إن هدف فريق PNNL هو التخلص من التكاليف باستمرار من خلال جعل عملية الالتقاط أكثر كفاءة وتنافسية من الناحية الاقتصادية.
خفض الفريق تكلفة الاحتجاز إلى 47.10 دولاراً لكل طن متري من ثاني أكسيد الكربون في عام 2021. استكشفت دراسة جديدة نشرت في مجلة الإنتاج الأنظف تكلفة تشغيل نظام الميثانول باستخدام مذيبات الالتقاط المختلفة التي طورها PNNL، وقد انخفض هذا الرقم الآن إلى أقل بقليل من 39 دولاراً لكل طن متري من ثاني أكسيد الكربون.
قال المهندس الكيميائي يوان يانغ، الذي قاد عملية التقييم: نظرنا إلى ثلاثة مذيبات مرتبطة بثاني أكسيد الكربون في هذه الدراسة الجديدة. وجدنا أنها تلتقط أكثر من 90 % من الكربون الذي يمر عبرها، وهي تفعل ذلك بحوالي 75 % من تكلفة تقنية الالتقاط التقليدية.
يمكن استخدام أنظمة مختلفة حسب طبيعة المصنع أو الفرن. ولكن بغض النظر عن الإعداد، تعتبر المذيبات مركزية. في هذه الأنظمة، تغسل المذيبات غاز المداخن الغني بثاني أكسيد الكربون قبل انبعاثه، تاركة وراءها جزيئات ثاني أكسيد الكربون مرتبطة الآن بهذا السائل.
إن إنتاج الميثانول من ثاني أكسيد الكربون ليس جديداً. لكن القدرة على التقاط الكربون ثم تحويله إلى ميثانول في نظام واحد يتدفق باستمرار هي الجديدة. إن حدث الالتقاط والتحويل تقليدياً كخطوتين متميزتين، مفصولة بكيمياء فريدة وغير تكميلية لكل عملية في كثير من الأحيان.
قال هيلدبرانت: نحن نتأكد أخيراً من أن إحدى التقنيات يمكنها تنفيذ كلتا الخطوتين والقيام بهما بشكل جيد، مضيفاً أن تقنية التحويل التقليدية تتطلب عادةً ثاني أكسيد الكربون عالي النقاء. النظام الجديد هو أول نظام ينتج الميثانول من ثاني أكسيد الكربون "المتسخ".
خفض انبعاثات الغد
إن عملية التقاط ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى ميثانول ليست سالبة لثاني أكسيد الكربون. يتم إطلاق الكربون الموجود في الميثانول عند حرقه أو عزله عند تحويل الميثانول إلى مواد ذات عمر أطول. قال هيلدبرانت إن هذه التكنولوجيا "تمهد الطريق" للعمل المهم المتمثل في إبقاء الكربون مرتبطاً داخل المواد وخارج الغلاف الجوي.
تشمل المواد المستهدفة الأخرى البولي يوريثان الموجود في المواد اللاصقة والطلاء والعزل الرغوي والبوليستر، والتي تستخدم على نطاق واسع في الأقمشة للمنسوجات. بمجرد أن ينتهي الباحثون من الكيمياء الكامنة وراء تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد تبقيه خارج الغلاف الجوي للمقاييس الزمنية ذات الصلة بالمناخ، يمكن أن تكون شبكة واسعة من أنظمة الالتقاط على استعداد لإجراء مثل هذه التفاعلات.
بدلاً من مداخن اليوم، يتصور هيلدبرانت إنشاء مصافي ثاني أكسيد الكربون داخل أو بجانب محطات توليد الطاقة، حيث يمكن تصنيع المنتجات المحتوية على ثاني أكسيد الكربون في الموقع. كتب هيلدبرانت وزملاؤه في مقال نُشر مؤخراً في مجلة العلوم الكيميائية، "نحن عند نقطة تحول"، حيث يمكننا الاستمرار في استخدام البنية التحتية لالتقاط الأحجار المتجانسة وتحويلها للقرن العشرين أو يمكننا البدء في الانتقال إلى أنموذج القرن الحادي والعشرين لتقنيات التقاط الكربون وتحويل القائمة على المذيبات.
----